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Elektronenemittierende Kathode.
Es ist allgemein bekannt, dass geeignete Kathoden beim Erhitzen Elektronen, d. h. sogenannte Glühelektronen, aussenden. Ferner findet bei Metallkathoden, sobald an sie eine sehr hohe Spannung angelegt wird, die kalte Elektronenemission statt. Schliesslich ist es auch bekannt, dass eine photographische Platte, die im Dunkeln z. B. mit einem Papier belegt ist, auf das Elektroden aufgesetzt sind, zwischen denen eine Potentialdifferenz von ungefähr 1000 Volt besteht, nach 24-48stündiger Einwirkungsdauer und nach dem Entwickeln eine Abbildung der Papierfasern und eine Zeichnung
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keit dar.
Die Erfindung betrifft eine Kathode, die zwar ebenfalls aus einem metallischen Träger, einer an sieh Elektronen nicht emittierenden Zwischenschicht ("Kathodenschicht") und einer elektronen- durchlässigen metallischen Hilfselektrode besteht, deren Ergiebigkeit infolge der besonderen Ausbildung der Zwischenschicht aber in ganz anderer Grössenordnung liegt, so dass ihre Emission auf dem Leucht- schirm beobachtet und sogar gefilmt werden kann.
Nach der Erfindung ist die zusammenhängende mindestens teilweise aus einem Halbleiter bestehende auf dem metallischen Träger T aufgebrachte
Schicht S nicht dicker als 0-5 mm und weist eine Leitfähigkeit unter 1041jOhm. rm auf, so dass mittels der die Kathodenschicht ; S bedeckenden Hilfselektrode S eine Spannung von solcher Grösse angelegt werden kann, dass eine Elektronenemission durch die Hilfselektrode If hindurch erfolgt.
Der Unterschied zwischen der bekannten Kathode und der nach der Erfindung wird dadurch bedingt, dass die benutzten Halbleiter stets eine beträchtliche Leitfähigkeit haben, während die früher verwendeten
Stoffe wie Papier, Glas, Glimmer und auch gepresste Metallsalze, in allen erreichbaren Dicken praktisch isolierend wirken, u. zw. bis zu der Spannungsgrenze, bei der ein Durchschlag erfolgt. Ein stetiger Übergang mit einem hinreichenden Leitvermögen, wie es die Halbleiter aufweisen, findet jedoch hiebei nicht statt. Von einer GlÜhkathode unterscheidet sich die Kathode nach der Erfindung dadurch, dass der in der Kathode fliessende Strom so gering ist, dass keine Erwärmung der Kathode auf die zur Glühemission erforderliche Temperatur stattfindet.
Eine derartige Kathode kann auf verschiedene Weise aufgebaut werden. Einige Ausführungformen, die die Kathode nach der Erfindung verwirklichen, sind in der Zeichnung beispielsweise dargestellt.
In Fig. 1 bedeutet T den Träger der Kathode (z. B. Nickel), Seine sehleehtleitende Substanz (z. B. Bleisulfid) und H eine Hilfselektrode (z. B. Blei). Die Schichten f ? und F können dabei auf den plattenförmig ausgebildeten Träger aufgedampft, aufgespritzt oder auf einem andern Wege aufgebracht werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die einzelnen Schichten keine zu grosse Dicke besitzen. So soll die Substanz X, die aus einem Stoff besteht, der den elektrischen Strom wesentlich schlechter leitet als die Metalle im normalen metallischen Zustand, d. h. dessen Leitfähigkeit kleiner ist als 1041/em. 011m, nicht stärker als 0 5 ins und die metallische Hilfselektrode H nicht stärker als 0. 1 mm sein.
Dabei kann die Schicht H zweckmässig so gewählt werden, dass sie noch durchsichtig ist. Die Hilfselektrode braucht jedoch nicht die ganze Kathodenoberfläehe zu bedecken ; sie kann z. B. auch ringförmig oder netzförmig ausgebildet sein.
Die metallische Hilfselektrode kann auch in einem geringen Abstand von der Kathode angeordnet sein. Eine Vakuumstrecke zwischen Halbleiterschicht und Zuführungselektrode kann bis zu
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einer Grösse vorgesehen werden, die noch von dem Hilfssü'om überbrüekt werden kann. Es kann z. B. die Zuführungselektrode Elektronen in das Vakuum emittieren. Bei kleinem Abstand lässt sich auch ein Überbrücken mit Hilfe eines Verschiebungsstromes erreichen.
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bezeichnet werden soll. Sie ist so klein zu wählen, dass möglichst jede Erwärmung der Kathode vermieden wird. Unter ihrem Einfluss tritt eine Elektronenemission aus der Kathode auf ; die Stärke des entsprechenden durch die Kathode fliessenden Hilfsstromes beträgt dabei etwa 1 Ml/f.
Bringt man die Kathode nach der Erfindung zusammen mit einer Anode in der üblichen Weise in ein Vakuumgefäss und legt eine geeignete Spannung an, so erhält man erhebliehe Elektronenströme. So lassen sich bei einer Spannung von 100 V Ströme von 10-8 bis 10"'''4/c erzielen. Die Elektronenemission tritt aber auch auf, wenn zwischen Kathode und Anode keine Spannung liegt, wie sieh z. B. durch Ionisation der Luft nachweisen liess.
Es hat sieh nun gezeigt, dass diese Erscheinung unter sehr verschiedenen Umständen eintritt, d. h. denselben Effekt kann man auch mit einer anders aufgebauten Kathode erzielen. Die Fig. 2 und 3 stellen eine abgeänderte Ausführungsform der Kathode nach der Erfindung dar. Es gelten wieder dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 1, nur ist jetzt noch eine neue Schicht. J eines Isolators eingefügt. Dieser kann sich unter (Fig. oder über der S"hicht S (Fig. 3) befinden. Die Schichtdicken sind die gleichen wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Die Dicke der Isoliersehiellt soll so beschaffen sein, dass sie keinen zu grossen Ohmschen Widerstand darstellt, also den austretenden Elektronen keinen zu grossen Widerstand bietet. Die Dicke darf nicht mehr als 10-1 CM. betragen.
Eine wesentliche Verbesserung lässt sich nun noch mittels der in den Fig. 4-6 gezeigten Anord- nungen erzielen. Dort befindet sieh bei Beibehaltung des bisherigen Aufbaues auf der schle htleitenden
Substanz S eine sehr dünne Schicht-1 eines Alkali-bzw. Erdalkalimetalls (Fig. 4). Bei Verwendung einer Isolierschicht kann sich die Schicht Il auf der Schicht J oder auf der Schicht 8 befinden. Die Dicke der Alkali-bzw. Erdalkalisehicht darf nicht mehr als 10-4 cm betragen.
Die bei Anlegen der Hilfsspannung auftretende Elektronenemission kann ausser durch die Änderung der Hilfsspannung auch durch Belichtung der Kathode mit ultraviolettem, sichtbarem und infrarotem Licht beeinflusst werden. Es findet bei einer derartigen Belichtung bei allen beschriebenen Arten von Kathoden eine wesentliche Verstärkung der Elektronenemission statt. Man kann die Grösse der Hilfsspannung demzufolge auch so wählen, dass zunächst keine Elektronenemission stattfindet, sondern diese erst bei Belichtung mit den genannten Lichtarten einsetzt. Anstatt mit Licht kann man bei angelegter Hilfsspannung die Elektronenemission auch auf einem andern Weg anregen, z. B. durch Beschiessung mit primären Elektronen oder Ionen. Der dabei aus der Kathode austretende Gesamtstrom ist dann gegenüber dem Primärstrom wesentlich verstärkt.
Die Elektronenemission tritt natürlich nicht nur im Vakuum auf, sondern ebenso in einer Gasatmosphäre. So lässt sich die Kathode also auch in einer Gasentladungsröhre verwenden.
Die Kathode nach der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Gegenüber der Glnh- kathode wird die Gefahr vermieden, dass während des Betriebes Dämpfe ausgehen, die andere Elektroden (z. B. Gitter) zu unerwünschter Elektronenemission befähigen oder aber auch (z. B. in Braunschen Röhren) den Leuehtsehirm vergiften. Überdies zeichnet sich die Kathode, da sie auf Lichteinfliisse anspricht, als hochempfindliche und besonders für Jnfrarotmessungen geeignete Photokathode aus.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektronen emittierende Kathode, bestehend aus einem metallischen Träger, einer an sich Elektronen nicht emittierenden Zwischenschielht (,, Kathodenschicht") und einer elektronendurchlässigen metallischen Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammenhängende mindestens teilweise aus einem Halbleiter bestehende auf dem metallischen Träger (T) aufgebraehte Schicht (S) nicht dicker ist als 0. 5 min und eine Leitfähigkeit unter 104 l/Ohm. cm aufweist, so dass mittels der die Kathodensehicht (8) bedeckenden Hilfselektrode (H) eine Spannung von solcher Grösse angelegt werden kann, dass eine Elektronenemission durch die Hilfselektrode (H) hindurch erfolgt.
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Electron-emitting cathode.
It is well known that when heated, suitable cathodes release electrons, i.e. H. so-called glow electrons. Furthermore, as soon as a very high voltage is applied to metal cathodes, cold electron emission takes place. Finally, it is also known that a photographic plate which is used in the dark e.g. B. is covered with a paper, on which electrodes are placed, between which there is a potential difference of about 1000 volts, after 24-48 hours of exposure and after developing an image of the paper fibers and a drawing
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ability.
The invention relates to a cathode, which also consists of a metallic carrier, an intermediate layer ("cathode layer") that does not emit electrons and an electron-permeable metallic auxiliary electrode, the yield of which, however, is of a completely different order of magnitude due to the special design of the intermediate layer. so that their emission can be observed and even filmed on the fluorescent screen.
According to the invention, the contiguous at least partially consisting of a semiconductor is applied to the metallic carrier T.
Layer S is not thicker than 0-5 mm and has a conductivity below 1041 jOhm. rm on, so that by means of the cathode layer; S covering auxiliary electrode S, a voltage of such magnitude can be applied that electron emission occurs through the auxiliary electrode If.
The difference between the known cathode and that according to the invention is due to the fact that the semiconductors used always have a considerable conductivity, while those used previously
Materials such as paper, glass, mica and pressed metal salts, in all achievable thicknesses, have a practically insulating effect, u. between up to the voltage limit at which a breakdown occurs. A steady transition with a sufficient conductivity, as it has the semiconductors, does not take place here, however. The cathode according to the invention differs from a glow cathode in that the current flowing in the cathode is so low that the cathode is not heated to the temperature required for glow emission.
Such a cathode can be constructed in various ways. Some embodiments that implement the cathode according to the invention are shown in the drawing, for example.
In Fig. 1, T denotes the support of the cathode (e.g. nickel), its visual conductive substance (e.g. lead sulfide) and H an auxiliary electrode (e.g. lead). The layers f? and F can be vapor-deposited, sprayed or applied in another way onto the plate-shaped carrier. It is important to ensure that the individual layers are not too thick. So the substance X, which consists of a substance that conducts the electric current much worse than the metals in the normal metallic state, i. H. whose conductivity is less than 1041 / em. 011m, not thicker than 0 5 ins and the metallic auxiliary electrode H not thicker than 0.1 mm.
The layer H can expediently be chosen so that it is still transparent. However, the auxiliary electrode need not cover the entire cathode surface; she can z. B. also be ring-shaped or network-shaped.
The metallic auxiliary electrode can also be arranged at a short distance from the cathode. A vacuum path between the semiconductor layer and the supply electrode can be up to
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a size can be provided that can still be bridged by the auxiliary system. It can e.g. B. emit the feed electrode electrons in the vacuum. With a small distance, bridging can also be achieved with the aid of a displacement current.
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should be designated. It should be selected so small that any heating of the cathode is avoided as far as possible. Under their influence, electron emission occurs from the cathode; the strength of the corresponding auxiliary current flowing through the cathode is about 1 Ml / f.
If the cathode according to the invention is placed in a vacuum vessel together with an anode in the usual manner and a suitable voltage is applied, then considerable electron currents are obtained. For example, currents of 10-8 to 10 "'' '4 / c can be achieved at a voltage of 100 V. However, electron emission also occurs when there is no voltage between the cathode and anode, as can be seen, for example, through ionization of the Showed air.
It has now been shown that this phenomenon occurs under very different circumstances; H. the same effect can also be achieved with a differently constructed cathode. FIGS. 2 and 3 show a modified embodiment of the cathode according to the invention. The same designations apply again as in FIG. 1, except that there is now a new layer. J of an isolator inserted. This can be located below (Fig. Or above the S "layer S (Fig. 3). The layer thicknesses are the same as in the arrangement according to Fig. 1. The thickness of the insulating layer should be such that it does not have an excessively large ohmic layer Represents resistance, i.e. does not offer too great a resistance to the exiting electrons.The thickness must not be more than 10-1 CM.
A substantial improvement can now be achieved by means of the arrangements shown in FIGS. 4-6. There you will find the previous structure on the low-guiding one
Substance S is a very thin layer-1 of an alkali or. Alkaline earth metal (Fig. 4). When using an insulating layer, the layer II can be on the layer J or on the layer 8. The thickness of the alkali or. Alkaline earth layer must not be more than 10-4 cm.
The electron emission that occurs when the auxiliary voltage is applied can be influenced not only by changing the auxiliary voltage but also by exposing the cathode to ultraviolet, visible and infrared light. With such an exposure, there is a substantial increase in electron emission for all types of cathodes described. The size of the auxiliary voltage can therefore also be selected in such a way that initially no electron emission takes place, but only begins when the light is exposed. Instead of using light, when the auxiliary voltage is applied, the electron emission can also be stimulated in another way, e.g. B. by bombardment with primary electrons or ions. The total current emerging from the cathode is then significantly increased compared to the primary current.
Of course, electron emission occurs not only in a vacuum, but also in a gas atmosphere. The cathode can also be used in a gas discharge tube.
The cathode according to the invention has a number of advantages. Compared to the incandescent cathode, the risk is avoided that vapors are emitted during operation that could enable other electrodes (e.g. grids) to emit undesired electrons or (e.g. in Braun tubes) poison the lampshade. In addition, since the cathode responds to the effects of light, it is a highly sensitive photocathode that is particularly suitable for infrared measurements.
PATENT CLAIMS:
1. Electron-emitting cathode, consisting of a metallic carrier, an intermediate layer which does not emit electrons per se ("cathode layer") and an electron-permeable metallic auxiliary electrode, characterized in that the contiguous at least partially consisting of a semiconductor on the metallic carrier (T) The applied layer (S) is not thicker than 0.5 min and has a conductivity below 104 l / ohm. cm, so that by means of the auxiliary electrode (H) covering the cathode layer (8) a voltage of such magnitude can be applied that a Electron emission takes place through the auxiliary electrode (H).