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lonen-oder Elelitronenrolir.
Es ist bekannt, dass bei Elektronenröhren (z. B. Kathodenstrahlröhren usw. ) das Bild auf der Schreibfläche ein elektronenoptisches Abbild der Emissionsfläche der Kathode ist. In manchen Fällen
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kann dadurch erreicht werden, dass man mit elektronenoptischen Verkleinerungen arbeitet. Dann ergeben sich aber als Nachteil im allgemeinen grosse Längen der Röhre, so dass in vielen praktischen Fällen dieser Weg ausscheidet.
Bei den meisten Kathodenstrahlröhren stellt daher der Sehreibfleck eine Vergrösserung der Emissionsfläche dar. In solchen Fällen kann man auch dann zu hohen Intensitäten des Schreibflecks kommen, wenn man an der Kathode sehr kleine Emissionsflächen anordnet und ihnen eine hohe spezifische Stromdichte gibt. Aber durch hohe Stromdichte wird wiederum die Lebensdauer der Kathode und der Röhre herabgesetzt, so dass man bei den Stromdichten an gewisse nicht überschreitbare Werte gebunden ist.
Es ist weiter bekannt, durch eine Vorkonzentrierung zunächst eine Verkleinerung der kathodischen Emissionsfläche hervorzurufen und sodann diese als emittierende Fläche zu verwenden. Aber auch dieser Weg hat Nachteile, weil die Verkleinerung bei der Vorkonzentration mit einer entsprechenden Vergrösserung des Emissionswinkels, unter dem die Elektronen die Bildfläche verlassen, erkauft wird. Praktische Fälle verlangen aber kleine Emissionswinkel.
Unter diesen Umständen bleibt es ein technisches Problem von Bedeutung, es trotz der bisherigen Folgerungen der Elektronenoptik möglich zu machen, grosse Kathodenflächen mit mässiger Stromdichte zu verwenden und doch kleine intensive Leuchtpunkt auf der Schreibfläche zu erzielen, ohne grosse Abmessungen der Röhre oder zu hohe Stromdichten oder unbequem grosse Emissionswinkel in Kauf nehmen zu müssen. Den Weg hiezu will die folgende Erfindung zeigen.
Die Erfindung schlägt zu dem Zweck vor, in den Strahlengang der Elektronen eine neuartige axial symmetrisch ausgebildete Elektronenlinse zu bringen, die achsenferne Strahlen, deren Emissionswinkel einen gewissen Betrag überschreitet oder die zunächst in grosser Entfernung von der Achse der Röhre verlaufen, zwingt, ihre Bewegungsrichtung umzukehren und dabei sich gleichzeitig der Achse zu nähern, so dass sie sich in achsennahe Strahlen verwandeln, die dann in irgendeiner Weise nutzbar
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Während bisher in der Elektronenoptik Linsen verwendet wurden, die von den Strahlen immer in derselben Richtung durchsetzt wurden, schlägt die vorliegende Erfindung vor, Linsen zu benutzen, die wenigstens einen Teil der Strahlen zur Richtungsumkehr und Bündelung veranlasst.
Elektronenstrahlen in einer Röhre zum Umkehren zu bringen, ist an sich bekannt. Bei diesen Anordnungen waren aber die Felder nicht axial symmetrisch ausgebildet. Es wurden entweder zur Achse querliegende magnetische Felder oder entsprechend ausgebildete elektrische Felder verwendet, welche zwar eine Umkehrung des Strahles, aber nicht gleichzeitig eine Bündelung zur Achse hin bewirkten.
Ein Beispiel soll die Erfindung verdeutlichen.
In Fig. 1 ist 1 eine grossflächige Kathode. Die Elektroden 2 sollen gegenÜber 1 positives Potential haben und die Elektronen aus 1 heraus7iehen. Den Elektroden 3 wird negatives Potential gegenüber 2
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gegeben. Die Anordnung 2, 3 wirkt als normale elektronenoptische Linse kleiner Brennweite und bildet die Kathode 1 irgendwie etwa verkleinert in der Öffnung 4 ab. Die Elektrode 5 stellt in Verbindung mit der Elektrode 6 die neuartige Linse gemäss der Erfindung dar. Die Elektrode 5 erhält das gleiche oder besser noch ein wenig niedrigeres Potential als die Elektrode 1, während die Elektrode 6, die durch die Öffnungen 7 hindurehgreifen kann, ein genügend hohes positives Potential erhält.
Eine Folge davon ist zunächst die, dass die achsennahen Strahlen, die in Richtung 4,7 fliegen, ohne weiteres durch die
Blende 7 hindurchgehen werden.
Anders ist dies mit den achsenfernen Strahlen, etwa dem Strahl 4, 8. Er wird zunächst zur
Richtungsumkehr gezwungen, u. zw., wenn das Potential von 5 etwas niedriger ist als das der Elektrode 1, etwas vor Erreichen der Wand von 5. Dabei unterliegt das Elektron während des Fluges 4, 8 im allgemeinen Kräften, die zur Achse hin gerichtet sind. Bestimmt trifft dies zu in dem Teil, in dem das Elektron bereits mehr verlangsamt fliegt, und diese Teile überwiegen wegen der grösseren Verweilzeit des Elektrons in ihnen.
Das Elektron wird somit etwa in der gestrichelten Bahn zur Blende 4 zurückfliegen. Es ist offensichtlich, dass es bei passenden Abmessungen in 4 näher zur Achse ankommt, als es weggeflogen ist.
Nunmehr wird das Elektron in den Raum 4-1 zurückfliegen, zum zweiten Male in der Gegend von 1 gebremst werden, umkehren und wieder nach 4 zurückkommen. In diesem zweiten Teil der Bahn wird zwar keine weitere Annäherung an die Achse erzielt, aber das Elektron auch nicht weiter von der Achse weggeschoben. Wenn nunmehr das Elektron wieder in den Elektrodenraum 5 eintritt, wiederholt Bich die Annäherung an die Achse usw.
Aus dem achsenferne Strahl 4, 8 wird nach und nach durch die genannte Linse im Hin-und Hergang ein achsennaher Strahl, der schliesslich in den Bereich des Durchgriffeldes von 6 kommt und durch die Blende 7 abgeführt werden kann.
Man kann die bündelnde Wirkung der neuen Linse noch dadurch verstärken, dass man die Elektrode 5 (Fig. 2) ringförmig schlitz und durch den Schlitz das Feld zylindrischer, besonders negativ vorgespannter Elektroden 9 wirken lässt. Offensichtlich kann man durch passende Wahl der Spannung der Elektrode 9 sowohl bündeln als auch, wenn sie positiv ist, den Strahlstrom schwächen (Intensitätsregulierung).
Eine andere Ausführung des Erfindungsgedankens zeigt Fig. 3. Von den zur Achse symmetrisch angeordneten Flächen 10, 11 werden Elektronen durch die Elektroden 12, 13, 14 und 15 abgesogen und gehen durch die Blenden 16 und 17. Sie geraten dann erfindungsgemäss in das Feld der Elektroden 18, die wieder zweckmässig ein etwas niedrigeres Potential haben als die Flächen-Mund IL Sie werden-zur Umkehr gezwungen und können bei passend gewählten Abmessungen, da sie Kräften ausgesetzt sind, die sie zur Achse drängen, durch'die Blende 19 geschossen werden. In diesem Falle hat man es anfänglich nur mit achsenferne Strahlen zu tun, die wieder durch das Feld der erfindungsgemäss eingeführten Linse mit Richtungsumkehr in achsennahe Strahlen verwandelt werden.
Praktisch läuft dies darauf hinaus, dass die Strahlen einer grossflächigen Kathode 10, 11 auf eine Ideinfläohige 19 gebracht werden, die ihrerseits als Emissionsquelle dient und von der'die Elektronen durch eine Spannung der Elektrode 20 abgesogen werden. Auch hier kann man wieder die Elektrode 18 schlitzen und durchgriffartig durch den Schlitz eine weitere Elektrode wirken lassen, ähnlich wie in Fig. 2 die Elektrode 9 und die Konzentration willkürlich beeinflussen.
Ein weiteres Beispiel der Erfindung zeigt Fig. 4.
Es ist daselbst 21 eine Glühkathode, deren Abmessungen gegenüber dem gewünschten kleinen Fleck auf den Fluoreszenzschirm gross sein sollen. Sie befindet sich im Innern eines leitenden Kastens 22, der bei 23 eine Bohrung hat. Kathode 21 und Kasten sind axialsymmetrisch ausgebildet. In dem Kasten befindet sich ein Sieb 24. Dieses Sieb wird an positive Spannung gelegt, während der Kasten auf negatives Potential gebracht werden soll. Es wird alsdann ein Feld vorhanden sein, dessen Kraftlinien im wesentlichen axialsymmetrisch und so gekrümmt sind, dass ihre konvexe Seite zur Achse hinzeigt. Von den Elektronen, die von der Glühfläche ausgehen, werden die meisten durch die Löeher des Netzes hindurchfliegen. Hätten die Elektronen keine Masse, so würden sie den Kraftlinien entlang folgen. Infolge ihrer Masse weichen sie aber von diesen Kraftlinien ab, u. zw. nach der Achse hin.
Die Elektronen werden nun, nachdem sie von der Fläche 21 ausgehen und durch das Netz 24 hindurchgegangen sind, den Wänden des Kastens 22 zustreben. Sie verlieren ihre Geschwindigkeit, und man kann es durch eine kleine Vorspannung erreichen, dass sie bereits vor Erreichen der Wand 22 die Geschwindigkeit Null erhalten. Sie müssen alsdann kehrtmachen und wieder zum Netz 24 zurückfliegen, durch das sie hindurchstossen, um wieder in die Nähe von 21 zu gelangen. Aber auch auf diesem Rückgang werden sie durch ihre Zentrifugalkraft nach der Achse hin abgelenkt. Wenn die Elektronen hin-und herpendeln, müssen sie sich nach und nach in der Achse sammeln und werden dort zu einer Raumladung Anlass geben.
In der Achse greift nun durch die Bohrung zu ein starkes Besehleunigungsfeld der Elektrode 25 an, welches die Elektronen, die axial gebündelt sind, heraussaugt. Die Öffnung der Beschleunigungselektrode 25 vertritt nunmehr die neue Kathode, die ihrerseits jetzt wieder nach der gewöhnlichen Elektronenoptik benutzt werden kann.
Es ist nicht notwendig, dass man nur die Stelle 21 mit emittierender Masse besetzt. Man könnte z. B. in Fig. 4 auch die ganzen Wände des Kastens mit emittierender Masse bekleiden. Dem bündelnden
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Effekt beim Hin-und Hergang der Elektronen wird erst durch die in der Achse sich bildende Raumladung die Waage gehalten, An Stelle der bisher beschriebenen zylindersymmetrisch gekrümmten elektrischen Felder, in denen die Elektronen gleichzeitig konzentriert und zur Achse des Zylinders abgelenkt werden, können als Gegenfelder auch homogene oder nahezu homogene Felder verwendet werden.
Bei der praktischen Ausführung kommt es nämlich in der Regel nicht allein auf die Bündelung an, sondern auch darauf, dass die Strahlen beim Durchtritt durch den Bündelungspunkt fast alle ungefähr die gleiche Richtung haben, so dass der Strahl nach der Bündelung innerhalb eines kleinen Kegelwinkels weiterläuft. Zur Befriedigung der beiden genannten Forderungen (Bündelung und Strahlschlankheit) kann ein homogenes oder nahezu homogenes Feld verwendet werden. Die Elektronen müssen hiezu mit einer passend gewählten geringen Neigung so in das Gegenfeld hineingeschossen werden, dass sie Wurfparabeln durehfliegen, die sämtlich in einer kleinen Fläche in der Nähe der Symmetrieachse münden.
Durch die Entfernung 6,3 in Fig. 5 kann man die Schlankheit des gebündelten Strahles beeinflussen.
Es ist gleichgültig, wie die passende Anfangsneigung der Strahlrichtung gegenüber dem homogenen Feld erzielt wird, z. B. werden in Fig. 5 die an der Kathode 1 emittierten Elektronen durch den Wehnelt-
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Anodenblende 4 in das homogene Gegenfeld 5, welches zwischen der Anode 3 und der Bremselektrode 6 besteht, ein, fliegen auf einer Parabelbahn zur Blende 7 und von da in den Raum 8. In Fig. 6 werden die an der Kathode 9 emittierten Elektronen zur Anode 10 weggezogen und durch die Beschleunigungselektrode 11 gebündelt. In dem zylindrisch ausgebildeten Ablenksystem 12, 13 wird durch Einstellen des Ablenkfeldes die passende Neigung gegenüber dem zwischen den Elektroden 14 und 15 bestehenden homogenen Bremsfeld 16 erzeugt. Die Strahlenbahnen haben von der Blende 17 ab wieder die Form von Wurfparabeln.
Der Strahl tritt durch die Blende 18 in den Raum 19 ein. Von Wichtigkeit ist, dass man den bei 1 oder 9 entstehenden Strahl durch die bekannten Mittel bündeln kann, so dass entweder bereits in 4 oder 17 oder erst in 7 oder 18 oder irgendwo dazwischen ein Abbild der Ionen-oder Elektronenquelle oder einer durchflogenen Blende entsteht. Die Ionen-bzw. Elektronenquelle kann dabei aus einem oder mehreren axialsymmetrisch gelagerten Ringen oder axialsymmetrisch gelagerten einzelnen "Punkt"quellen bestehen.
Im folgenden wird bei einem Ionenrohr vorausgesetzt, dass der Druck im Entladungsgefäss nicht vollkommen verschwindet, sondern immer noch so hoch gewählt ist, dass Ionen entstehen können. Handelt es sich um ein Elektronenrohr, so kann der Druck vollkommen gleich Null sein. Doch steht nichts im Wege, Elektronenrohre auch mit niedrigen Drücken zu betreiben.
Die Erzeugung eines homogenen oder nur schwach gekrümmten Feldes kann durch grosse Abmessungen der Anode und Bremselektrode (3, 5 in Fig. 1, 14, 15 in Fig. 6) erzeugt werden oder in einem engen Feldraum durch Erzeugung eines linearen Spannungsabfalles an den das Bremsfeld seitlich begrenzenden Wänden. Diese lineare Spannungsverteilung kann beispielsweise dadurch erzwungen werden, dass die Wände aus einem Material geringer Leitfähigkeit bestehen, so dass sie einen geringen Strom zwischen den Elektroden (3, 5 bzw. 14, 15) führen.
Die Anordnung nach Fig. 6 ist auch sehr gut geeignet zur Intensitätssteuerung des die Blende 18 verlassenden Elektronenstrahls. Die Steuerung wird erreicht durch Änderung der Ablenkspannung zwischen den Elektroden 12 und 13.
Bei den bisher beschriebenen Anordnungen handelt es sich stets um die Erzeugung und Bündelung von Elektronen. Bei der gleichen oder sinngemäss abgeänderten Grundlage lassen sich auch Ionen beiderlei Vorzeichens beeinflussen, so dass die Emission grosser Flächen auf kleinere konzentriert wird, ohne dass der Emissionswinkel wächst.
Man kann bei positiven Ionen die so gewonnene kleine Emissionsfläche wieder zur Auslösung von Elektronen benutzen, wodurch weitere technische Vorteile erzielt werden. Dies soll an einem Beispiel gezeigt werden.
Zur Erzeugung einer grossflächigen Ionenquelle positiver Elektrizität kann man eine Hilfsentladung mit kalter Kathode verwenden. In Fig. 7 wird sie dadurch hergestellt, dass in einem genügend weiten Entladungsrohr 26, 27, 28, 29, 30, 31 eine Entladung bei genügend niedrigem Druck hergestellt wird. Man kann dann erreichen, dass Kanalstrahlen genügend einheitlicher Richtung die Öffnungen 32,33 durchsetzen. Es ist 26, 27, 28 somit Kathode, 31 die Anode. Die positiven Ionen durchsetzen nun erfindungsgemäss das Feld zwischen der Kathode 26, 27, 28 und der genügend positiv aufgeladenen Elektrode 34. Sie werden dann zur Richtungsumkehr gezwungen und können bei passenden Abmessungen und passenden Spannungen in der Mitte der Kathode 26 bei 35 gebündelt werden.
Sie lösen hier bei Auftreffen auf das Metall bei 35 Elektronen aus, die, wie der Versuch ergeben hat, von einer sehr kleinen Fläche ausgehen und sehr intensiv sein können. Die Stelle 35 und die Elektrode 34 wirken dann unmittelbar wie ein Entladungsrohr des Kaltkathoden-Oszillographen. Der Vorteil besteht offensichtlich darin, dass hohe Elektronenemissionen an der Kathode 35 bei sehr niedrigen Drücken im Entladungsrohr zu erlangen sind, was nicht nur helle Fluoreszenzflecken, sondern auch gute Überstrahlungsfreiheit ergibt. Denn man kann die Hilfsentladung in dem Gefäss 26, 27, 28, 29 durch Wahl der Abmessungen (grosser Durchmesser) selbst bei kleinen Drücken mit genügender Intensität hervorrufen.
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die dann zur Kathode hin beschleunigt werden.
In Fig. 13 ist 21 die Kathode, 22 die Anode der Haupt- entladung, 23 die Blende mit Anodenpotential, 24 eine ringförmige Kathode der Hilfsentladung. Die
Hauptkathode habe z. B. kV, die Hilfskathode -5 kV gegenüber der Anode. Von der Hilfskathode 24 werden Elektronen in den Raum 25 entsandt, werden dort infolge der Gegenspannung verzögert und zur
Rohrwand 26 hin abgelenkt. Sie durchlaufen dabei Geschwindigkeitsbereiche, in denen sie eine hohe loni- sierungsfähigkeit haben. Die erzeugten Ionen werden dabei grösstenteils für die Hauptentladung nutzbar und fliegen zur Kathode 21. In ähnlicher Weise begünstigen die an dem Blendenkörper 27 vorbeifliegenden Elektronen der Hauptentladung die Hilfsentladung.
Durch geeignete Wahl der Abmessungen kann ein
Rohr dieser Art mit ausserordentlich niedrigem Druck betrieben werden.
Ganz allgemein kann man eine Entladung noch weiter begünstigen, indem man Elektronen mit Hilfe eines geeigneten magnetischen oder eines statischen oder hochfrequenten Feldes zwingt, eine grössere Wegstrecke mit einer für die Ionisierung günstigen Geschwindigkeit zurückzulegen, als dies ohne die beschriebenen Hilfsfelder der Fall wäre. Solche Anordnungen sind zur Erzeugung sehr intensiver Ionenund Elektronenquellen bei sehr kleinem Druck in verhältnismässig engen Entladungsräumen geeignet. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 14 gegeben. Die Kathoden 28 und 29 mit gleichem oder ungefähr gleichem Potential stehen sich gegenüber, die Anoden 30, 31 schliessen den Entladungsraum seitlich ab.
Sie können z. B. zylinderförmig sein. Die an den Kathoden emittierten und im Gasraum erzeugten Elektronen pendeln bei geeigneter Wahl der Abmessungen vor ihrem Auftreffen auf die Anode zwischen den
Kathoden hin und her. Ihre Geschwindigkeit ändert sich dabei stark, so dass eine Begünstigung der Ionisation im Entladungsraum eintritt. Die durch Sto ss erzeugten Ionen fliegen zu den Kathoden 28 und 29, wo sie wieder Elektronen auslösen. Versieht man eine oder beide Kathoden mit einem oder mehreren Löchern 32, 33, 34, so treten Ionen durch diese Löcher hindurch und können als Ionenstrahlen nutzbar gemacht werden. Fügt man in den Entladungsraum noch eine der an sich bekannten Elektronenlinsen ein, so kann man die Intensität der Ionenstrahlung in der Achse des Gefässes noch steigern. In Fig. 15 sind z.
B. 35, 36 die Kathoden, 37, 38, 39,40 die Anoden, 41,42 ist die Linsenelektrode mit gegen 37, 38, 39,40 positivem oder negativem Potential. Durch das von der Linsenelektrode in den Entladungsraum eingreifende elektrische Streufeld können die Elektronen der Entladung in der Nähe der Achse gebündelt werden. Damit wird die Erzeugung der positiven Ionen im Entladungsraum auf die Umgebung der Achse konzentriert, und infolgedessen kann ein ausserordentlich intensiver Ionenstrahl durch das Loch 43 der Kathode abgeführt werden.
Ordnet man vor dem Loch 43 noch eine mit einer Blende 44 versehene Elektrode 45 mit gegen 36 positivem Potential an, so werden die in die Umgebung der Blende 43 gelangenden, grösstenteils von der Kathode 35 oder aus dem Gasraum stammenden Elektronen aus dem Entladungsraum herausgezogen und treten als Elektronenstrahl in den Raum 46 ein. Die Blende 43 kann also sowohl als Ionen-als auch als Elektronenquelle verwendet werden. Gegenüber den bekannten Ionen-und Elektronenquellen hat die neue Anordnung den Vorteil grösserer Intensität bei kleinem Druck, ausserdem kann eine Alterung der Ionen-oder Elektronenquelle nicht eintreten. Die Intensität der Ionen-oder Elektronenstrahlen kann durch eine Gitterelektrode 47 mit einem gegen 36 veränderlichen Potential gesteuert werden.
Ein weiteres Mittel zur Herabsetzung des Entladungsdruckes oder der Hilfsentladungsspannung ist die Verwendung von besonders gut emittierenden Stoffen für die Kathode der Haupt-oder der Hilfsentladung, wie z. B. Bariumoxyd und Halbleiterstoffe, wie Silit. Solche Stoffe sind insbesondere gut für die Kathode der Hilfsentladung geeignet, an der die Emissionsdichte meist klein ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Ionen-oder Elektronenrohr, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder wenigstens ein Teil der von einer emittierenden Fläche (1) ausgehenden Ionen-bzw. Elektronenstrahlen durch ein passend ausgebildetes axialsymmetrisches Gegenfeld zur Umkehr gebracht und gleichzeitig zur Achse hin gebündelt werden.