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Sammelvorrichtung für Elektronen.
Es ist bekannt, dass ein Elektronenstrahlbündel durch ein relativ zu seiner Länge kurzes, geeignet geformtes elektrisches Feld, ähnlich wie ein Lichtstrahlbündel, durch eine Glaslinse gebrochen werden kann, und dass die dabei auftretenden Gesetzmässigkeiten in Analogie zur geometrischen Lichtoptik durch die Gesetze der geometrischen Elektronenoptik dargestellt werden können.
Die zur Erzeugung derartiger Felder benutzten"Elektronenlinsen"bilden einen wesentlichen
Bestandteil aller Elektronenrichtstrahler, bei denen es darauf ankommt, einen Elektronenbrennfleck hoher Energiedichte und kleinen Durchmessers zu erzeugen, also z. B. von Kathodenstrahloszillographen, Fernsehröhren, Elektronenmikroskopen, Röntgenröhren und Tonfilmröhren. Insbesondere bilden sie wegen ihrer einfachen Ausführungsform und dem Wegfall des Stromverbrauches einen billigen Ersatz für die häufig zum gleichen Zwecke gebrauchten magnetischen Sammelspulen.
Die erste Art der bisher bekannten Elektronenlinsen besteht aus kalottenartig gewölbten konzentrischen Netzflächen in Linsenform (Fig. 1). Hier hat die Form des elektrischen Feldes makroskopisch den von der Theorie geforderten Verlauf.
Praktisch hat sich aber gezeigt, dass die durch die Inhomogenität an den notwendigen Netzen erzeugten Feldstörungen die Abbildungsgüte einer derartigen Linse erheblich beeinträchtigen.
Die zweite bekannte Elektronenlinsenform besteht aus einer oder mehreren von parallelen Ebenen koaxial zueinander angeordneten Lochscheiben. Fig. 2 zeigt eine derartige Anordnung mit zugehörigem Feldbild. Man erkennt, dass die für die Linsenwirkung massgebenden, infolge des Durchgriffes der Mittelelektrode durch die beiden äusseren Löcher entstehenden Kugelfläehen nur einen Teil des gesamten Linsenfeldes darstellen und dass das Strahlenbündel ausserdem teils ein Feld mit zur Elektrodenfläche planparallelen Äquipotentialflächen, teils ein Feld mit stark inhomogenen Äquipotentialflächen (in der Nähe der Mittelelektrode) durchlaufen muss.
Wegen der Abweichung der Äquipotentialflächen einer derartigen Linse von der theoretisch zu fordernden Kugelform entspricht also auch eine derartige Elektronenlinse den zu stellenden Anforderungen nur in erster Annäherung.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Äquipotentialflächen einer idealen elektrischen Linse möglichst sämtlich die Form konzentrischer Kugelkalotten haben müssen, wobei in Strahlrichtung auch konkave und konvexe Kalotten aufeinander folgen können, wenn nur die ersteren an die letzteren unmittelbar (ohne Zwischenschaltung einer grösseren Zahl paralleler Äquipotentialflächen) anschliessen. Gemäss der Erfindung wird die Elektronenlinse durch das Feld aus zwei oder mehreren als Potentialumkehrlinse geschalteter Hohlkörper gebildet, deren Erzeugende parallel zur Strahlachse verlaufen, und deren lichte Weite angenähert der lichten Weite des Vakuumgefässes entspricht.
Wegen des Wegfalls der bisher angewendeten, senkrecht zur Strahlachse ebenen Elektroden wird dadurch ein nahezu vollständig kugelförmiger Verlauf der Äquipotentialflächen erreicht, wie man aus den Fig. 3 und 4 erkennt, in welchen der an zwei konzentrisch zylindrischen Anordnungen gemessene Feldverlauf eingetragen ist.
Es sind auch Hohlkörperformen von elliptischem oder kugelförmigem Querschnitt verwendbar, wobei nur wesentlich ist, dass die Öffnungen der Aussenelektrode grösser sind als der Durchmesser der Innenelektrode. Statt eines runden kann die Anordnung auch einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Strahlachse besitzen, wodurch die Wirkung einer lichtoptischen Zylinderlinse nachgebildet werden
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kann. Zur Herabsetzung der Linsenspannung ist es auch möglich, mehrere derartiger Linsen hintereinander zu schalten.
Wird bei der Anordnung nach Fig. 3 die äussere Elektrode an den Pluspol und die innere an den Minuspol einer Spannungsquelle gelegt, so erhalten die Elektronen beim Durchlaufen des inneren Zylinders eine sehr geringe Geschwindigkeit. Dieser Umstand kann benutzt werden, um durch relativ zur Anodenspannung sehr geringe Steuerspannungen den Elektronenstrahl in seiner Intensität zu steuern, ihn durch Ablenkplatten, welche innerhalb der zu diesem Zweck verlängerten Innenelektrode angebracht sind, mit erhöhter Empfindlichkeit seitlich abzulenken oder (durch Umkehr der Elektronen zur Anode) ganz aufzuheben. Die Anordnung wirkt in diesem Falle ähnlich wie das Steuergitter einer Raumladungs-Verstärkerröhre bzw. wie ein Elektronenspiegel.
Die erhöhte Ablenkempfindlichkeit ist wichtig bei Fernsehröhren, Kathodenstrahloszillographen, Tonfilmröhren od. dgl.. bei denen man eine Strahlsteuerung mit möglichst geringem Spannungsaufwand erreichen will.
Fig. 5 und 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Fernsehröhren bzw. Kathodenstrahloszillographen, welche elektrische Linsenanordnungen gemäss der Erfindung enthalten.
In Fig. 5 bedeutet 1 den Glaskolben der Röhre. an dessen trichterförmigem Teil der Leueht- schirm angebracht ist. Die Elektronen entstehen an der Glühkathode. 3 ; ihre Intensität wird in an sich bekannter Weise durch den Wehneltzylinder- gesteuert. Die Anode besteht aus einer Lochblende 5 und damit verbundenem zylinderförmigem Netz 6, welches gleichzeitig das eine Element der elektrischen Linse bildet und den Hohlzylinder 7 konzentrisch umschliesst (entsprechend Feldbild Fig. 3). Legt man an 6 und 7 die Spannung einer Batterie 8, so wirken 6 und 7 als elektrische Linse.
Der übrige Teil des Glaskolbens mit Ausnahme des Leuehtsehirmes ist mit einer auf dem Potential der Anode h3fÌndlichen Silberschicht 9 überzogen. Zur seitlichen Ablenkung des Elektronenstrahles dienen in bekannter Weise die Ablenkplattenpaare 10 und 11. Die Modulations-bzw. Sperrspannung für den Elektronenstrahl wird über den Wehneltzylinder 4 den Klemmen 12 3 zugeführt.
Fig. 6 zeigt die Ausführung der Erfindung mit einer elektrischen Linse mit nebeneinander- liegenden Elementen. In diesem Falle besteht die Anode aus der Lochblende 5, und die verschiedenen Elemente der Linse sind in an sieh bekannter Weise durch thermische Verdampfung von Metall auf der Innenwand des Kolbens niedergeschlagen. Sie besteht aus den zylinderförmigen, voneinander isolierten Teilen 14 und 15 und aus dem daran anschliessenden Teil 16, der sieh in dem trichterförmigen Teil des Kolbens fortsetzt und ebenfalls mit der Anode verbunden ist. Diese Ausführungsform entspricht einer Form des elektrischen Feldbildes nach Fig. 4.
Innerhalb von 16 sind in bekannter Weise
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wand ist für die serienmässige Herstellung solcher Fernsehröhren besonders einfach ; natürlich können die Elektroden in entsprechender Form in an sich bekannter Weise auch durch Metallrohre bzw. Metallnetze hergestellt sein. Die Modulations-bzw. Sperrspannung wird in Fig. 6 dem mittleren Linsenelement über die Klemmen 12, zugeführt, während die Spannung des Wehneltzylinders 4 konstant bleibt.
Die Ablenkplatten können auch innerhalb des Linsenelementes 15 angeordnet sein, um eine erhöhte Ablenkempfindlic hkeit infolge der dort langsameren Elektronen zu erzielen ; in diesem Falle muss das Element 15 entsprechend verlängert werden.
Die Erfindung kann sowohl für Hochvakuumröhren als auch für gasgefüllte Röhren Ver- wendung finden.
Die im vorstehenden beschriebenen elektrischen Linsen bestehen aus nicht mehr als drei Elektroden. Diese Elektrodenzahl ist im allgemeinen ausreichend, da man durch entsprechende Wahl des Elektrodendurehmessers und der Abstände zwischen den Elektroden den Verlauf der Äquipotential- flächen. welche der Vorderfläche und der Hinterfläche einer optischen Linse entsprechen, in ausreichendem Masse beeinflussen kann, insbesondere, wenn man Kathodenstrahlbüsehel von verhältnis- mässig kleinem Querschnitt, die den Zentralstrahlen einer optischen Linse entsprechen, verwendet.
Unter Umständen lässt sich jedoch eine elektrische Linse, welche als chromatisch korrigiert bezeichnet werden kann, sowie eine Linse, welche als sphäriseh korrigiert angesehen werden kann. auf diese Weise nicht vollkommen erreichen. Unter chromatischer Korrektur wird dabei verstanden. dass die Linse Kathodenstrahlen verschiedener Härte auf denselben Punkt abbildet. Die Strahlen verschiedener Härte können gleichzeitig in der Elektronenquelle vorhanden sein, ebenso wie eine polychromatische Lichtquelle Licht von verschiedener Wellenlänge ausstrahlt. Die Strahlen verschiedener Härte können aber auch durch Spannungsschwankungen der als Anodenspannungen dienenden Stromquelle oder auch durch die restliche Wechselspannung eines etwa nicht ganz vollkommenen Netz- anschlussgerätes ihre Ursache haben.
Unter sphärischer Korrektur soll bei einer elektrischen Linse die Möglichkeit der Konzentrierung verhältnismässig grosser Büschelquerschnitte verstanden werden, was der fehlerfreien Abbildung auch der Randstrahlen, nicht nur der Zentralstrahlen einer optischen Linse entspricht.
Anordnungen, welche auch diese Bedingungen erfüllen, sind in Fig. 7-9 schematisch dargestellt.
In diesen sind mit 10-19 ringförmige Elektroden von gegenüber dem Querschnitt des Kathodenstrahlbiisehels grossem Durchmesser bezeichnet, welche an einen Potentiometerwiderstand 20 angeschlossen sind. Durch entsprechende Wahl der Anschlusspunkte und damit der Spannung für
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in Fig. 7.
Der Wahl der Anschlusspunkte auf dem Widerstand 20 entspricht bei der Anordnung ; nach Fig. 9 eine veränderliche Bemessung des Widerstandes jeder einzelnen Windung. Die Spirale 27 besitzt ebenso wie das Potentiometer 20 in Fig. 7 und 8 einen oder mehrere Punkte Pi.
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einer grösseren Anzahl von Elektroden bzw. von Spiralwindungen, die aber unter sich alle gleich gross sind und daher sehr einfache Konstruktionen erlauben, und ferner durch Wahl der zwischen ihnen wirksamen Spannungen eine korrigierte elektrische Linse geschaffen werden kann.
Die Erfindung ist ausser auf elektrische Linsen für Elektronenstrahlen auch auf solche für Ionenstrahlen anwendbar.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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angeordneten, an Spannung gelegten leitenden Hohlkörpern, die xum Durchtritt des Elektronenstrahles mit Öffnungen versehen sind, gekennzeichnet durch das Feld zwischen den Innenwänden mindestens zweier als Potentialumkehrlinse geschalteter Hohlkörper (Fig. 3, 5. 6. 7 und 8). deren Erzeugende parallel zur Strahlaehse verlaufen und deren lichte Weite angenähert der lichten Weite des Vakuumgefässes (Fig. 5 und 6) entspricht.