Elektronenstrahl-Vorrichtung

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Vorrichtung, umfassend

• (a) eine sich auf einem Kathodenpotential befindende Kathode, in welcher ein sich entlang einer Strahlachse ausbreitender Hochleistungs-Elektronenstrahl erzeugt wird;
• (b) eine in Richtung der Strahlachse hinter der Kathode angeordnete Anode, welche sich auf einem gegenüber dem Kathodenpotential erhöhten Anodenpotential befindet und die Elektronen des Elektronenstrahls beschleunigt;
• (c) einen in Richtung der Strahlachse hinter der Anode angeordneten Kollektor zur Abbremsung der Elektronen des Elektronenstrahls, welcher Kollektor sich auf einem gegenüber dem Anodenpotential abgesenkten Kollektorpotential befindet; und
• (d) eine Speisung zur Bereitstellung der einzelnen Potentiale für die Kathode, Anode und den Kollektor.

Eine solche Elektronenstrahl-Vorrichtung ist z.B. als Quasi-optisches Gyrotron mit "depressed collector" aus dem Artikel von H.-G. Mathews, J.de Physique, Colloque C1, supplément au n°1, Tome 50, Januar 1989, S.C1-643 bis C1-658 bekannt (siehe insbesondere die dortige Fig. 11).

STAND DER TECHNIK

Speisungen für Hochleistungs-Gyrotronröhren, wie sie beispielsweise für die Plasmaaufheizung in Plasma-Fusionsexperimenten (ECRH = Electron Cyclotron Resonance Heating) verwendet werden, arbeiten derzeit vorwiegend mit einem System aus Hochspannungstransformator, Gleichrichter, Röhrenmodulator und Kondensatorbank. Zum Schutz der Gyrotronröhre wird weiterhin als Crowbar eine Serieschaltung von Ignitrons eingesetzt, welche die im System gespeicherte Energie begrenzt bzw. vernichtet. Als Schalt- und Regelröhre hat sich dabei eine Hochleistungs-Tetrode bewährt, wie sie z.B. von der Firma Asea Brown Boveri AG unter der Typenbezeichnung CQK 200-4 im Handel angeboten wird.

Heute übliche Gyrotronröhren wie z.B. der ebenfalls von der Asea Brown Boveri AG hergestellte und angebotene Typ GT 92-5p arbeiten mit Kathodenspannungen bis -90 kV und Strömen bis 50 A, die von der Speisung zur Verfügung gestellt werden müssen. Auch werden vereinzelt Speisungen eingesetzt, die bis zu 3 Gyrotronröhren gleichzeitig versorgen.

Zur Sperrung bzw. Durchschaltung der Gyrotronröhre findet im Stand der Technik ein separater Niederleistungs-Röhrenmodulator Verwendung, der die Hilfs- oder Modulationsanode bezüglich dem Kathodenpotential zwischen 0 und ca. +30 kV schaltet. Gyrotronröhren ohne Hilfsanode sind ebenfalls im Einsatz, wobei hier die Modulation durch die Schaltgeschwindigkeit des Hochleistungs-Kathodenmodulators begrenzt ist.

Gyrotronröhren der nächsten Generation werden zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit einem in der eingangs genannten Druckschrift beschriebenen sogenannten "depressed collector" ausgerüstet, der gegenüber der Anode im Potential abgesenkt ist und als Elektronenauffänger die Elektronen des Hochleistungs-Elektronenstrahls vor seiner Vernichtung abbremst.

Wünschenswert wäre dabei hinsichtlich des Wirkungsgrades eine Aufteilung des Kollektors in mehrere hintereinander angeordnete Kollektorstufen, die sich jeweils auf einem stufenweise abgesenkten Potential befänden. Dies würde jedoch Hochleistungs-Hochspannungsspeisungen zur Versorgung der einzelnen Kollektorstufen erfordern, die sich mittels der im Stand der Technik verwendeten Hochspannungs-Röhrenmodulatoren nur mit grossem Aufwand realisieren liessen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Elektronenstrahl-Vorrichtungen der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass sie bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad einen verringerten technischen Aufwand sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit und Sicherheit aufweisen.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

• (e) der Kollektor mehrere in Richtung der Strahlachse hintereinander angeordnete Kollektorstufen umfasst, welche sich jeweils auf einem stufenweise abgesenkten Potential befinden;
• (f) die Speisung eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung umfasst, welche aus einer Mehrzahl von gleichartigen Schaltstufen besteht, die jeweils als schaltbare Mittelspannungsquellen ausgebildet und mit ihren Ausgängen in Serie geschaltet sind; und
• (g) die abgestuften Potentiale der Kollektorstufen durch entsprechende Abgriffe zwischen den Schaltstufen der Hochspannungs-Gleichstromversorgung bereitgestellt werden.

Der Kern der Erfindung besteht darin, als Speisung für die Kollektorstufen eine Serieschaltung von schaltbaren Mittelspannungsguellen vorzusehen, die einerseits leicht in Halbeitertechnik ausgeführt werden können, und andererseits durch Abgriffe zwischen den Stufen auf einfache Weise die verschiedenen Potentiale bereitstellen. Darüberhinaus ermöglicht die Schaltbarkeit der einzelnen Stufen eine schnelle Abschaltung der gesamten Speisung im Notfall, ohne dass zusätzliche Crowbarschaltungen notwendig wären.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass

• (a) jede der Schaltstufen die Sekundärwicklung eines Netztransformators, einen daran angeschlossenen Schaltstufengleichrichter, nachfolgende Mittel zur Glättung der gleichgerichteten Spannung sowie wenigstens einen im Ausgang liegenden, von einer Stufensteuerung gesteuerten Schaltstufenschalter umfasst; und
• (b) zwischen den Ausgängen jeder Schaltstufe jeweils eine in Sperrrichtung gepolte Kaskadendiode angeordnet ist.

Hierdurch wird eine Speisung verwirklicht, die sich in anderer Ausführung und Arbeitsweise bereits als Hochspannungs-Gleichstromversorgung für die Neutralteilcheninjektion bei Plasmaexperimenten (siehe dazu die EP-B1-0 134 505) und als Pulsstufenmodulator (PSM) in Rundfunksendern bewährt hat.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1a,b

Schemaanordnungen der Elektroden mit ihren zugehörigen Spannungs- und Strom-Anschlusswerten für Gyrotronröhren nach dem Stand der Technik;

Fig. 1c

eine Fig. 1a,b entsprechende Schemaanordnung für eine Gytronröhre mit 1-stufigem "depressed collector" nach dem Stand der Technik;

Fig. 1d,e

Schemaanordnungen der Elektroden mit ihren zugehörigen Spannungs- und Strom-Anschlusswerten in zwei Anschlussvarianten für Gyrotronröhren mit mehrstufigem Kollektor, wie sie Gegenstand der Erfindung sind;

Fig. 2

das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einer aus in Serie liegenden Schaltstufen bestehenden Speisung für die Kollektorstufen; und

Fig. 3

eine Ausführungsform der Speisung für die Kollektorstufen gemäss Fig. 3.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Zusammenhang mit Gyrotrons erläutert. Sie ist jedoch generell anwendbar bei allen Vorrichtungen, in denen ein Hochleistung-Elektronenstrahl erzeugt, entlang einer Strahlachse geführt und in einem Kollektor wieder abgebremst und vernichtet wird. Sie ist damit anwendbar auch auf andere Hochleistungs-Mikrowellenröhren, insbesondere Klystrons und Freie-Elektronen-Laser FEL.

Bei einem Gyrotron der herkömmlichen Art sind, wie dies in der Schemaanordnung aus Fig. 1a oder 1b gezeigt ist, in einem evakuierten Raum entlang einer Strahlachse 5 hintereinander eine Kathode 1 (z.B. in Form einer Ringkathode), eine Anode 3 (als Hauptanode) und ein Kollektor 4 (als Elektronenauffänger) angeordnet. Anstelle einer bis zur Kathode 1 durchgehenden Anode 3 (Fig. 1b) kann die Anode 3 kathodenseitig verkürzt und durch eine separate Hilfsanode 2 (Fig. 1a) ergänzt sein. Beide Varianten sind auch in den weiteren Fig. 1c-e möglich und durch gestrichelte Linien angedeutet.

Beispielhafte Anschlusswerte, d.h. Spannungen und Ströme, der einzelnen Elektroden sind in den Figuren in zugehörigen Kästen angegeben: In Fig. 1a (mit der Hilfsanode 2 als Modulationsanode) liegt die Kathode 1 auf einem Potential von -80 kV bei einem Strom von 50 A, die Hilfsanode liegt umschaltbar auf Potentialen von -80 kV bzw. -50 kV (bei ca. 10 mA Strom), die Anode 3 liegt ebenso wie der Kollektor 4 auf dem Potential Null, wobei die Anode nur ca. 50 mA, der Kollektor dagegen 50 A Strom zieht. Beim Gyrotron ohne Hilfsanode gemäss Fig. 1b fehlt naturgemäss der Anschlusswert dieser Elektrode; die Anschlusswerte der übrigen Elektroden sind dagegen unverändert.

Bei der Gyrotron-Anordnung gemäss Fig. 1c, wie sie auch aus Fig. 11 der eingangs genannten Druckschrift bekannt ist, beträgt die Potentialdifferenz zwischen Kathode 1 und Anode 3 wiederum 80 kV. Der (1-stufige) Kollektor 4 befindet sich in diesem Fall jedoch nicht auf dem Anodenpotential, sondern liegt mit seinem Potential zwischen dem der Anode und der Kathode. Er bremst damit die Elektronen im Elektronenstrahl ab und wird wegen seiner Potentialabsenkung als "depressed collector" bezeichnet.

Eine beispielhafte Anordnung für ein Gyrotron gemäss der Erfindung ist in den Fig. 1d und 1e wiedergegeben, wobei sich die beiden Figuren (analog zu den Fig. 1a und 1c) lediglich durch unterschiedliche Anschlusswerte in den einzelnen Elektroden unterscheiden. Der Kollektor 4 ist hier nicht mehr 1-stufig, sondern umfasst mehrere (in diesem Fall 4) Kollektorstufen 6, die teilweise als Ringe, teilweise als ein kegelförmiger Auffänger ausgebildet sind. Die Kollektorstufen 6 haben im Fall der Fig. 1d die abgestuften Anschlusswerte A1, A2, A3 und A4, zu denen Potentiale von beispielsweise -40, -50, -60 und -80 kV und Ströme von 15, 20, 10 und 5 A gehören. Im Fall der Fig. 1e sind die entsprechenden abgestuften Anschlusswerte mit A5, A6, A7 und A8 bezeichnet und mit Potentialen von 0, -10, -20 und -40 kV und Strömen von wiederum 15, 20, 10 und 5 A verknüpft.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Gyrotrons gemäss Fig. 1e mit zugehöriger Speisung ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Speisung für die Versorgung der Elektroden 1, 2, 3 und 4 (mit den Kollektorstufen 6) umfasst einerseits einen herkömmlichen Versorgungsteil 14, der aus einem an das Netz angeschlossenen Netztransformator 8, einem nachfolgenden Gleichrichter 9 und eine Kondensator C zur Glättung aufgebaut ist. Dieser herkömmliche Versorgungsteil 14 liefert eine konstante Gleichspannung, die zwischen der an Masse liegenden ersten der vier Kollektorstufen 6 (mit dem Anschlusswert A5) und der Anode 3 (Anschlusswert A11; z.B. +40 kV, 50 mA gemäss Fig. 1e) liegt und die Anode 3 gegenüber dem Kollektor 4 positiv vorspannt. Ein Widerstand R2 begrenzt dabei den Anodenstrom.

Andererseits umfasst die Speisung eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung 13, welche aus einer Mehrzahl von gleichartigen Schaltstufen S1,..,S6 besteht, die jeweils als schaltbare Mittelspannungsquellen ausgebildet und mit ihren Ausgängen in Serie geschaltet sind. Diese Hochspannungs-Gleichstromversorgung 13 stellt die für die Kollektorstufen 6 benötigten abgestuften Potentiale durch ihre eigentlichen Ausgänge und entsprechende Abgriffe zwischen ihren Schaltstufen S1,..,S6 bereit. Der positive Ausgang der Hochspannungs-Gleichstromquelle 13 ist dabei mit dem an Masse als Referenzpotential liegenden negativen Ausgang des herkömmlichen Teils verbunden, der negative Ausgang der Hochspannungs-Gleichstromquelle 13 ist zugleich mit der Kathode 1 und der letzten der vier Kollektorstufen 6 verbunden (Anschlusswerte A9 entsprechend -40 kV, 50 A und A8 entsprechend -40 kV, 5 A).

Die dazwischenliegenden Anschlusswerte A6 und A7 (-10 kV, 20 A und -20 kV, 10 A) für die beiden mittleren der Kollektorstufen werden über zwei Abgriffe zur Verfügung gestellt, die innerhalb der Hochspannungs-Gleichstromversorgung 13 z.B. zwischen den Schaltstufen S2 und S3 bzw. S4 und S5 vorgesehen sind. Die Hilfsanode 2 wird über einen strombegrenzenden Widerstand R1 auf dem Referenzpotential (Masse) der ersten Kollektorstufe bzw. des positiven Ausgangs der Hochspannungs-Gleichstromversorgung 13 gehalten. Zusätzlich kann eine Schaltröhre 7 vorgesehen werden, welche beim Durchschalten das Potential der Hilfsanode 2 auf das Kathodenpotential zieht.

Die Hochspannungs-Gleichstromversorgung 13 stellt mit geringem schaltungstechnischen Aufwand die verschiedenen für den Stufenkollektor benötigten Potentiale (Anschlusswerte) zur Verfügung und kann im Bedarfsfall schnell ein- und ausgeschaltet werden, so dass sowohl zusätzliche Crowbarschaltungen als auch Modulationsröhren entfallen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den inneren Aufbau einer Hochspannungs-Gleichstromversorgung 13 nach Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt: Die einzelnen Schaltstufen S1,..,S6 sind schaltbare Mittelspannungsquellen, die aus einer Wechselspannungsquelle 11 (dem Netz) über einen Netztransformator 12 mit einer Primärwicklung und einer Mehrzahl von Sekundärwicklungen versorgt werden.

Jede der gleichartigen Schaltstufen S1,..,S6 umfasst einen an die zugehörige Sekundärwicklung angeschlossenen Schaltstufengleichrichter GS, dem Mittel zur Glättung, beispielsweise eine in Serie liegende Schaltstufendrossel LS und ein parallel geschalteter Schaltstufenkondensator CS, nachgeordnet sind. In wenigstens einem der Gleichspannungsausgänge ist ein steuerbarer Schaltstufenschalter SS, vorzugsweise ein Leistungshalbleiter in Form eines GTO oder IGBT, vorgesehen. Die Gesamtheit der Schaltstufenschalter SS wird von einer Stufensteuerung 10 angesteuert.

Die einzelnen Schaltstufen S1,..,S6 sind mit ihren Gleichspannungsausgängen in Serie geschaltet, wobei zwischen den Ausgängen einer Schaltstufe jeweils eine in Sperrrichtung gepolte Kaskadendiode DK als Freilaufdiode angeordnet ist. Die Gleichspannungen der einzelnen Schaltstufen S1,..,S6 (z.B. 1-10 kV) addieren sich dann zu einer gesamten Ausgangsspannung (von z.B. 40 kV). Durch wahlweises Einschalten verschiedener Schaltstufen können verschiedene zeitlich sich ändernde Spannungen an den Ausgängen und Zwischenabgriffen vorgegeben werden. Ein sicheres Schnellabschalten wird dadurch erreicht, dass die Schaltstufenschalter SS in allen Schaltstufen S1,..,S6 von der Stufensteuerung 10 gleichzeitig geöffnet werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auf den Versorgungsteil 14 in Fig. 2 natürlich auch verzichtet werden kann. Der positive Ausgang der Hochspannungs-Gleichstromversorgung 13 ist dann direkt mit der Anode 3 verbunden und liegt gleichzeitig auf Erdpotential.

Insgesamt ergeben sich mit der Vorrichtung nach der Erfindung die folgenden Vorteile:

• zur sicheren Abschaltung im Notfall ist keine zusätzliche Crowbarschaltung notwendig;
• die Hochspannungs-Gleichstromversorgung erlaubt ein schnelles Zu- und Abschalten innerhalb von wenigen (≈ 20) µs;
• die Hochspannungs-Gleichstromversorgung kann wegen ihrer galvanischen Trennung potentialmässig floaten;
• der Wirkungsgrad der Vorrichtung ist sehr hoch;
• der schaltungstechnische Aufbau ist modular und vergleichsweise einfach.

BEZEICHNUNGSLISTE

1

Kathode

2

Hilfsanode

3

Anode

4

Kollektor

5

Strahlachse

6

Kollektorstufe

7

Schaltröhre

8,12

Netztransformator

9

Gleichrichter

10

Stufensteuerung

11

Wechselspannungsquelle

13

Hochspannungs-Gleichstromversorgung

14

Versorgungsteil

A1,..,A11

Anschlusswert

C

Kondensator

CS

Schaltstufenkondensator

DK

Kaskadendiode

GS

Schaltstufengleichrichter

LS

Schaltstufendrossel

R1,R2

Widerstand

S1,..,S6

Schaltstufe

SS

Schaltstufenschalter